Глава 13. Электрический Гефест

Нечего их оплакивать – жизненные беды и Бенардоса, и Славянова. Пусть не все было гладко в жизни, не ладился быт. Разве в этом дело? Они открыли новую дорогу. Дали великолепные идеи, которые и сейчас приносят пользу. При жизни они увидели победу. Сумели понять то, что никто до них не понимал. И знали, зачем живут.

В. Патон

Мы не зря посвятили предыдущую главу трудной судьбе выдающегося инженерного открытия XIX века «русскому свету» хотя бы потому что следующего ученого из блестящей плеяды русских изобретателей – Николая Николаевича Бенардоса – можно было встретить именно в мастерских Яблочкова. Прошло почти полвека, и в 1882 году он предложил еще один способ использования дуги Петрова – дуговую электрическую сварку металлов, на которую и получил через два года патент.

К открытию идеи электросварки Бенардос пришел уже состоявшимся опытным изобретателем, автором свыше ста самых оригинальных инноваций в самых различных областях, причем многие его идеи не потеряли своего значения и в последующие десятилетия. Диапазон деятельности самобытного изобретателя поражает воображение: железные бороны и углубители почвы, скороварки и молотильные машины, паровые ножницы и пневматические гидранты, пароходные колеса с поворотными лопастями и непотопляемые катера, замки и краны, гидроэлектрические турбины и спасательные катапульты, электрические летательные аппараты и металло- и деревообрабатывающее оборудование, пневматические тормоза и ветродвигатели.

Тем не менее в мастерские Яблочкова Бенардоса привело полное финансовое фиаско с постройкой первого колесного парохода, оборудованного поворотными лопастями. Необычное изобретение успешно выдержало все ходовые испытания, но на достройку судна средств не хватило, и оригинальное изобретение, которое стоило стольких конструкторских и материальных усилий, было продано на слом. Так Бенардос очутился в мастерских своего выдающегося коллеги в поисках изобретательского счастья.

Обосновавшись в Санкт-Петербурге, Бенардос с удвоенной энергией занялся новыми для себя электротехническими разработками. Здесь он и сделал свое самое важное изобретение, принесшее ему бессмертие и мировую славу. Лодыгин, Яблочков, а теперь и Бенардос, сколько замечательнейших умов отдали дань удивительной гальванической дуге Петрова! Однако, хотя инженер Бенардос и работал в мастерских Яблочкова, но к дуге у него образовался особый подход, ведь сам по себе свет дуги его не интересовал, ему даже мешали ее ослепительные лучи. Он глядел на дугу сквозь черные, покрытые сажей многослойные стекла, – так астрономы после трагедии ослепления Галилея предохраняли зрение при прямом наблюдении нашего дневного светила, к примеру, при его полном затмении.

Н. Н. Бенардос (1842–1905).

Я подарил миру доподлинно новую технику, отличную от всего того, что было известно людям с тех времен, когда в Древней Греции верили в Гефеста – бога огня и покровителя искусства и ремесел, основанных на использовании огня.

Н. Н. Бенардос

Читатель, не пожалейте усилий и когда-нибудь обязательно взгляните через щиток сварщика на бессмертное открытие русского естествоиспытателя Петрова! Там, среди угольной черноты, бьется в узком ореоле света живой огонь сварки, разбрасывая искры раскаленных капель металла, который плавится, пузырится и оплывает в точном соответствии с теорией преобразования электромагнитной энергии профессора Ленца.

К 1882 году изобретателю удалось свести воедино все свои соображения о проектируемом способе электродуговой сварки. Ход мыслей Николая Николаевича мог быть следующим: «Тепло гальванической дуги столь высоко, что в свече Яблочкова плавятся практически все известные материалы, включая огнеупорную изоляцию и, конечно же, самые разные металлы и сплавы. Следовательно, с ее помощью успешно проводить плавку и переплавку чугуна, железа и стали!»

Удивительные перспективы возникали при такой необычной эксплуатации столь привычного изделия мастерских Яблочкова. Получалось, что в стержне свечи Яблочкова скрывалась самая настоящая гигантская башня плавильной печи с вагранкой. Проницательный ум выдающегося изобретателя сразу же оценил два стратегических пути дальнейших разработок: электросварка и электрометаллургия. Разумеется, первое направление технологически проще, и именно на него направил все свое внимание Бенардос. Здесь надо вспомнить, какой необычный вид имели столь грандиозные металлические конструкции XIX века, как, например, Эйфелева башня: их несущие ребра и балки были пронизаны миллионами гигантских заклепок, утяжелявших и разупрочнявших критические узлы. Еще более проблематичным был текущий ремонт трещин, сколов и раковин в металлических деталях. И если грандиозные мостостроительные проекты в силу определенного консерватизма и трудности организации широкомасштабных сварочных работ еще долгое время использовали заклепочные соединения, то на металлоремонтных заводах электросварка сразу же нашла свое место.

Конечно же, сначала Николаю Николаевичу пришлось существенно рационализировать «сварочный вариант свечи Яблочкова». Прежде всего это касалось расположения электродов, и после долгих раздумий изобретатель решил жечь дугу между угольными стержнями и вводить в нее со стороны железный пруток, направляя расплавленный металл в нужное место. Тут сразу же выяснилось, что такая схема работы громоздка и неудобна, ведь получалось, что обе руки держат угли, а вводить металл в пламя должен уже помощник сварщика.

Вот тут Бенардос и нашел блестящее техническое решение, оставив только один электрод, а второй подключив прямо к тому железному телу, над которым ведется операция: дуга вспыхнет между ним и оставшимся угольком. Этот уголь и надо держать в руке, а другой рукой вводить в дугу железный пруток. И пруток расплавится, потечет, как сургуч, наплавляя раковины и трещины железного тела. Если же жечь дугу без наплавляемого металла, то дуга начнет глубоко разрезать железное тело, а это уже способ электрометаллорезания. Так Николай Николаевич предложил производить сварку, помещая свариваемые предметы на металлическую «наковальню», соединенную с одним из полюсов источника электричества. Металл расплавлялся дугой, горящей между угольным электродом, закрепленным в специальном держателе, и изделием, подключенным к полюсам источника тока. При этом между генератором и дугой помещалась особая батарея аккумуляторов. Генератор работал непрерывно, заряжая аккумуляторы, поэтому в момент возбуждения дуги между электродом и металлом энергия подавалась в дугу в большом количестве. Способ Бенардоса помимо сварки годился и для электрической резки металлов и был назван им «электрогефест» в честь греческого мифического бога-ремесленника и кузнеца Гефеста.

Несмотря на то что постоянно возникали проблемы с быстрым истощением источника питания, через три года в результате напряженных исследований изобретателю удалось полностью, в деталях, разработать технологию сварки стали и чугуна. Он сконструировал аппаратуру для сварки и, успешно проведя несколько испытаний, обратился в Департамент торговли и мануфактур России с прошением о выдаче ему привилегии на «Способ прочного скрепления металлических частей и их разъединения непосредственным воздействием электрического тока». Для начала на этот процесс он получил патенты во Франции, Бельгии, Великобритании, Германии и Швеции, а несколько позже – в Италии, США, Австро-Венгрии и Дании. Российская привилегия из-за волокиты и бюрократизма патентных поверенных была выдана в самую последнюю очередь.

Совершенствуя свою идею, изобретатель в дальнейшем разработал не только сварку при помощи угольного электрода, но и все известные теперь способы электрической дуговой сварки. Он предложил применение дуговой сварки и резки металлов не только в обычных условиях на открытом воздухе, но и в струе газа и даже под водой. Дальше Бенардос разработал «сварку косвенно действующей дугой, горящей между двумя или несколькими электродами», придумал «магнитное управление сварочной дугой», получившее впоследствии широкое применение во всех сварочных автоматах. Бенардосу же принадлежит изобретение некоторых систем автоматов для сварки угольными и металлическими электродами самых разнообразных форм.

Николай Николаевич позаботился о том, чтобы обеспечить широкое промышленное использование своего изобретения. Поэтому он обратил особое внимание на источник электрической энергии и создал новый тип аккумуляторов для питания электрической дуги. В 1890 году характеризуя свой аккумулятор, Бенардос писал, что он «служит с большим успехом при пользовании самыми сильными токами и есть единственный аккумулятор, вполне годный для способа электрогефест».

Бенардос соединил один полюс сильной гальванической батареи Петрова с угольным электродом, прикрепив к другому свариваемые металлические элементы. Затем изобретатель помещал электрод в специальный изолированный держатель и подносил его к металлу. В тот же момент между углем и металлом вспыхивала яркая электрическая дуга Петрова. В ее пламя Бенардос помещал конец металлического стержня, плавящегося в пламени дуги и заливающего жидким металлом края свариваемых листов. После остывания металлические детали прочно соединялись с помощью затвердевшего шва из наплавленного металла.

Способ соединения металлических конструкций с помощью дуги Петрова, предложенный Бенардосом, довольно быстро получил известность. Электрическую сварку начали применять на русских железных дорогах для ремонта рельсов и подвижного состава, затем она нашла свое место в судостроении и машиностроении. Электросварка Бенардоса нашла применение в русской промышленности уже в конце 80-х годов XIX века в мастерских Орловско-Витебской железной дороги для ремонта паровозных колес и рам. Тогда же российское изобретение стало известным во всем мире и получило промышленное применение для десятков разных технологических операций. Это заварка пустот, раковин, пузырей и отверстий в металлических изделиях, заварка треснувших металлических предметов, например паровозных рам. Это и сварка сломанных деталей и частей сосудов, резервуаров, и дуговая резка металла, дуговое сверление, дуговая плавка и многое другое.

Необычный, но удачный рекламный ход для популяризации своих достижений предпринял Бенардос, предложив восстановить кремлевский Царь-колокол с помощью электросварки.

Около полутораста лет назад литейный мастер Иван Маторин с сыном отлили исполинский колокол под двести тонн. Но внезапный пожар охватил деревянные конструкции над ямой. Колокол раскалился докрасна и, когда не него попала струя воды, треснул, а от его края отвалился большой осколок. С той поры он служит историческим памятником во внутреннем дворике Московского Кремля, возвышаясь на каменном основании, как большой бронзовый шатер, и чернеет в его боку пробоина, широкая, как ворота. Исполинский осколок стоит рядом, прислоненный к подножию. За полуторастолетнюю историю возникали не раз всяческие, по большей части фантастические, проекты реставрации удивительного произведения русских мастеровых умельцев, но только теперь возникла более-менее реальная возможность поправить колокол, приварив к нему осколок «электрогефестом». Все, кто бывал на экскурсии в Кремле, знают конец этой истории: колокол все так же служит историческим памятником в первозданном виде. Это, конечно же, не означает, что с помощью «электрогефеста» Бенардоса его нельзя было исправить, просто общественность и политики разделились во мнении о целесообразности подобной операции. Во всяком случае, именно после истории с Царь-колоколом имя изобретателя приобрело самую широкую популярность.

Разработки Бенардоса получили всеобщее признание в России и за рубежом, откуда специально приезжали в Петербург специалисты, чтобы поучиться сварке с помощью «электрогефеста». К середине 90-х годов XIX века новый технологический процесс был внедрен более чем на ста заводах Западной Европы и в США, электросварку начали применять не только для вспомогательных ремонтных работ, но и как основной технологический процесс производства новых металлических изделий.

Здесь надо отметить, что для практического использования изобретения Бенардос детально разработал самые различные технические приспособления и отдельные технологические приемы. Приведем лишь некоторые из них: разработаны основные типы сварных соединений, применяемые и в настоящее время; применен скос кромок при сварке металлов значительных толщин; предложена отбортовка кромок при сварке тонких листов; определена необходимость создания зазора между свариваемыми частями, величина которого зависит от толщины соединяемых изделий; применены флюсы при сварке сталей и меди; предложены трубчатые электроды; создана серия электрододержателей для дуговой сварки; предложено приспособление для сварки листов вертикальным швом с его принудительным формированием, устройство для сварки косвенной дугой; разработан способ изготовления спиральношовных труб, система питания, включающая генератор постоянного тока и параллельно присоединенную батарею электрических аккумуляторов, установка для дуговой сварки с автоматическим регулированием дуги.

К сожалению, в конце своей жизни выдающийся изобретатель Бенардос повторил судьбу большинства своих предшественников. Его предприятие «Электрогефест» постиг полный финансовый крах, а сам он тяжело отравился соединениями свинца при конструировании новых аккумуляторов…

Вклад Н. Н. Бенардоса в создание сварочной техники и технологии трудно переоценить. К примеру, на самом пике изобретательской деятельности в области сварки, его экспозиция на Всероссийской электротехнической выставке в 1892 году включала чертежи и модели нескольких десятков различных приборов, а также более сотни образцов различных видов сварных соединений из разных металлов.

О работах Бенардоса прослышал в далекой Перми горный начальник пушечного завода Николай Гаврилович Славянов. Он построил динамо-машину собственной конструкции и принялся повторять опыты. И закружился вокруг Славянова тот же самый хоровод неудач. Сварные швы получались ломкими и хрупкими, они отскакивали от металла, как горелые корки от хлеба. Но Славянов был блестящим инженером-металлургом, точное знание удваивало его силы. И он разоблачил затаенного врага Бенардоса – это был угольный стержень. С него в железо переходил углерод, и металл становился хрупким. Электрическая дуга, полыхавшая на тугоплавком угольном стержне, была слишком жаркой, она пережигала металл. Благодетельный жар, многократно умножавший яркость дуговых электрических ламп, здесь оказывался вредным. Вся беда заключалась в том, что «электрогефест», родившись из лампы, наполовину еще оставался лампой. Это сумел разглядеть Славянов острым глазом инженера-металлурга.

Обладая глубокими знаниями по металлургии и электротехнике, Славянов разработал способ дуговой сварки металлическим плавящимся электродом с защитой сварочной ванны флюсом и первый в мире механизм для полуавтоматической подачи электродного прутка в зону сварки – «электроплавильник».

Гениально просто расправился Славянов с отравителем металла. Он выбросил угольный стержень, а освободившийся электрический провод прикрутил к железному стержню, который Бенардос вводил в дугу. Дуга вспыхнула прямо между стержнем и металлом. Она была не жаркой. Стержень плыл каплями, и они вливались в лужицу подтаявшего металла. Железо застывало прочным швом. На своем заводе Славянов открыл цех, в котором стал сваривать и наваривать разнообразнейшие части машин и механизмов, которые стали везти ему из всех уголков Российской империи. Так, из далекой Новгородской губернии на барже по Волге и по Каме привезли разбитый пятитонный колокол, в котором Славянов заварил все трещины и приварил отбитые куски. Колокол тут же опробовали, и он чистым, уже не дребезжащим тоном возвестил о победе русской науки.

С легкой руки Яблочкова постоянный ток в электропроводке заменили переменным током. Однако переменный ток, пришедшийся к месту в большинстве электрических машин, был неудобен для электросварки – электрическая дуга горела неустойчиво. Еще Яблочков заметил, что обмазка на его свече повышает устойчивость дуги. Забытая идея Яблочкова подсказала изобретателям дорогу, и железный электрод стали делать также в обмазке почти того же химического состава, что и обмазка свечи. Обмазка плавилась вместе с электродом, ее пары наэлектризовывали воздушный промежуток, и дуге было легче проскакивать через него.

Сварка сталей, содержащих легирующие элементы и примеси, с использованием угольных электродов, не всегда получалась удачной из-за попадания в шов оксидных включений, увеличения концентрации серы и фосфора, выгорания легирующих элементов. Это приводило к тому, что металл шва становился хрупким. Ввиду значительных размеров ванны сварка выполнялась только в нижнем положении.

При сварке по методу Славянова дуга плавит одновременно металл изделия, металл электрода и сварочный флюс, образуя общую сварочную ванну из жидкого металла, покрытого жидким шлаком, который надежно защищал металл от воздействия окружающей среды. При этом способе сварки коэффициент полезного использования дуги значительно возрастает.

Замена угольного электрода металлическим позволила исключить науглероживание металла, что также повысило качество сварных соединений. Славянов также отказался от громоздкой аккумуляторной батареи Бенардоса, разработав специальную динамо-машину и таким образом создав первый в мире сварочный генератор. Он также нашел инновационное решение для подогрева металла перед сваркой для уменьшения скорости охлаждения.

Н. Г. Славянов (1854–1897).

Первая публичная демонстрация нового способа состоялась в ноябре 1888 года на пермских казенных пушечных заводах, а уже в 1891 году Славянову был выдан российский патент – привилегия на изобретенный метод электрической отливки металлов. Известность Славянова и изобретенного им способа быстро возрастала. Помимо патента в России он получил авторские свидетельства во Франции, Германии, Италии, Австро-Венгрии, Бельгии, США, Швеции. Разработки Славянова позволили выполнять сварочные работы на новом качественном уровне, что было по достоинству оценено современниками. Практически одновременно с дуговой сваркой родился еще один вид электросварки – контактная.

Однажды Славянов узнал, что в некоторых газетах западных стран высказывалось мнение о невозможности применения его способа для сварки цветных металлов. И вот посетители Всемирной выставки в Чикаго в 1893 году увидели удивительный экспонат из России – металлический двенадцатигранный стакан высотой 210 мм. Николай Гаврилович наварил на сталь один за другим электроды из бронзы, никеля, стали, чугуна, меди, особой колокольной бронзы, томпака, нейзильбера. Сделанный из этой многослойной заготовки пятикилограммовый столп представлял сразу всю гамму технических металлов того времени. Почетный диплом и золотая медаль «За дуговую сварку» были достойной оценкой изобретения. «Сэндвич Славянова» долгие годы оставался непокоренной вершиной сварочного искусства.

В 90-х годах XIX века дуговая сварка начала успешно применяться не только в России, но и за рубежом. Во всем мире электрофизики и инженеры-металловеды пытаются использовать тепло вольтовой дуги Петрова для различных технологических процессов. Крупным успехом стала разработка электротермического способа получения алюминия из его окислов. Суть его состояла в том, что все пространство между двумя угольными электродами заполнялось определенной смесью, имеющей плохую электрическую проводимость и расплавляющуюся после подачи тока. Был также изобретен способ сварки двух металлических стержней, играющих роль электродов. При их соприкосновении происходил локальный нагрев кромок до их плавления, после чего к стержням прикладывалось давление.

Попытки создать индустриальный метод дуговой сварки практически одновременно предприняли немецкий электротехник Ценерер и будущий основатель фирмы General Electric Коффин. В разработанном ими процессе, названном электрической паяльной трубкой, дуга возбуждалась между угольными электродами, а затем с помощью магнита отклонялась в сторону свариваемого металла. В этом случае применялась дуга косвенного действия. Техника этого процесса была очень сложна.

Мы уже рассказывали, что еще Ломоносов и Рихман обратили внимание на то, что после удара молнии в их «громовые машины» накрученные металлические контакты сплавлялись со стержнями-молниеприемниками. Впоследствии русский физик Ленц также описывал, что скрученные концы проволочек, через которые протекает электрический ток, раскаляются и сплавляются между собой. Но новые способы получения соединений его не интересовали, и лишь через десять лет тепловая энергия электротока была специально применена англичанином Уайльдом для сварки металлических брусков небольшого сечения. Впоследствии он даже получил патент на способ соединения с помощью электричества и сдавливания.

Одним из изобретателей стыковой контактной сварки был английский физик Кельвин – основоположник термодинамики, автор понятия абсолютной температуры и шкалы его имени, а также инициатор и руководитель грандиозной эпопеи по прокладке телеграфного кабеля между Англией и США по дну Атлантики. Однако слава первооткрывателя здесь закрепилась за американским изобретателем Э. Томсоном. В середине 80-х годов XIX столетия им были созданы необходимые для контактной сварки элементы оборудования: коммутирующая аппаратура, динамо-машина для генерирования переменного тока, мощный трансформатор, специальные клещи-тиски для зажима свариваемых заготовок. В дальнейшем он разработал оптимальную технологию сварки, на которую вместе со сварочной аппаратурой получил множество патентов.

Поскольку кроме нагрева применялось и механическое сдавливание, первоначально способ называли «электрической ковкой» или «безогненным методом сварки».

Одной из проблем в конце позапрошлого века было соединение телеграфных проводов. Она была решена с помощью стыковой контактной сварки. Именно для этих целей было разработано первое устройство, выполняющее нагрев и сжатие двух проводов. Оно состояло из двух рычагов, на одном конце соединенных шарниром из изоляционного материала, а с другого конца связанных пружиной через изоляционные втулки. В этих рычагах посередине зажимались свариваемые детали. Томсон сконструировал установку, в которой ток прерывался синхронно с прикладываемым усилием сжатия. Для развития больших усилий сжатия изобретатель разработал аппарат с гидравлической системой.

Следующим шагом в развитии стыковой контактной сварки было применение импульсов тока и давления. По мере расширения сферы применения стыковой сварки совершенствовалась ее технология и разрабатывались новые схемы нагрева с промежуточной угольной пластиной-электродом, подключаемой к вторичной обмотке трансформатора и вставляемой на время разогрева между стыкуемыми деталями. В других устройствах между свариваемыми деталями помещали металлическую пластину с большим удельным электросопротивлением. При пропускании тока через детали такая схема ускоряла нагрев, а непосредственно перед сжатием вставку удаляли.